ES2795049T3 - Mesoporous silicas and their synthesis process - Google Patents
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Abstract
Una sílice mesoporosa preparada a partir de los componentes A y B, de modo que A es un tensioactivo de la familia de las saponinas y B es un precursor de sílice, dicha sílice comprende entre 1 % y 30 % en peso de tensioactivo.A mesoporous silica prepared from components A and B, such that A is a surfactant of the saponin family and B is a precursor of silica, said silica comprises between 1% and 30% by weight of surfactant.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Sílices mesoporosas y su proceso de síntesisMesoporous silicas and their synthesis process
Campo de la invenciónField of the invention
La presente invención se refiere a una sílice mesoporosa y a un método para producir dicha sílice. El proceso y la sílice se caracterizan por el uso de compuestos naturales que pertenecen a la familia de las saponinas como agente de estructuración.The present invention relates to a mesoporous silica and to a method for producing said silica. The process and silica are characterized by the use of natural compounds that belong to the saponin family as a structuring agent.
Estado de la técnicaState of the art
Gracias a su alta superficie específica, los materiales porosos y en particular las sílices mesoporosas son de gran interés en campos tan variados como la catálisis, la electrónica, los semiconductores, los materiales compuestos y actualmente también son una herramienta insustituible en los campos biológico y médico.Thanks to their high specific surface area, porous materials and in particular mesoporous silicas are of great interest in fields as varied as catalysis, electronics, semiconductors, composite materials, and are currently also an irreplaceable tool in the biological and medical fields. .
El mecanismo de síntesis de materiales silíceos mesoporosos organizados es bien conocido. Este mecanismo, llamado CTM (Cooperative Templating Mechanism o mecanismo cooperativo de ensamblaje), sugiere que la adición de un precursor de sílice conduce, por interacción con los agregados formados por un tensioactivo, a la formación de una fase organizada híbrida orgánica/inorgánica. Por lo tanto, este mecanismo se basa en un autoensamblaje entre las moléculas tensioactivas y el precursor inorgánico que conduce a una organización del sistema. Existe una amplia gama de tensioactivos que pueden usarse como agentes de estructuración en los procesos de síntesis de sílice mesoporosa. Pueden ser aniónicos, catiónicos o neutros.The mechanism of synthesis of organized mesoporous siliceous materials is well known. This mechanism, called CTM (Cooperative Templating Mechanism or cooperative assembly mechanism), suggests that the addition of a silica precursor leads, by interaction with the aggregates formed by a surfactant, to the formation of an organized organic / inorganic hybrid phase. Therefore, this mechanism is based on a self-assembly between the surfactant molecules and the inorganic precursor that leads to an organization of the system. There is a wide range of surfactants that can be used as structuring agents in mesoporous silica synthesis processes. They can be anionic, cationic or neutral.
Cualesquiera que sean los procesos de síntesis utilizados, los tensioactivos son, en todos los casos, de origen no natural. Estas son moléculas a base de petróleo que deben extraerse del material final para, por un lado, permitir un uso posterior en aplicaciones médicas, biológicas o farmacéuticas y por otro lado, liberar la porosidad. La patente EP 2256088 utiliza un proceso de calcinación para extraer las moléculas de tensioactivos. Este proceso, además de consumir energía, destruye el tensioactivo utilizado que, si es costoso no puede entrar en un proceso de reciclaje. La calcinación también tiene el inconveniente de modificar las propiedades fisicoquímicas de los materiales mesoporosos. Este proceso disminuye, por ejemplo, el parámetro de malla (Bérubé y Kaliaguine. Micropor Mesopor Mat. 2008, 115: 469-479). Por otro lado, la naturaleza exotérmica del proceso aumenta los defectos presentes en la estructura inorgánica.Whatever the synthesis processes used, the surfactants are, in all cases, of non-natural origin. These are petroleum-based molecules that must be extracted from the final material to, on the one hand, allow further use in medical, biological or pharmaceutical applications and, on the other hand, to release the porosity. EP 2256088 uses a calcination process to extract surfactant molecules. This process, in addition to consuming energy, destroys the used surfactant which, if it is expensive, cannot enter a recycling process. Calcination also has the drawback of modifying the physicochemical properties of mesoporous materials. This process decreases, for example, the mesh parameter (Bérubé and Kaliaguine. Micropor Mesopor Mat. 2008, 115: 469-479). On the other hand, the exothermic nature of the process increases the defects present in the inorganic structure.
Existen otras técnicas para extraer el tensioactivo del material mesoporoso. Podemos citar un proceso de extracción por el ácido sulfúrico descrito por Zhuang, Quian y Wan en Applied Surface Science, 2010, 256; 5343-5348 "An alternative method to remove PEO-PPO-PEO template in organic-inorganic mesoporous nanocomposites by sulfuric acid extraction". Este proceso tiene la desventaja de alterar el tensioactivo que ya no se puede reciclar. Además, esta técnica requiere la instalación de un sistema de reciclaje del ácido pesado y costoso.There are other techniques for extracting the surfactant from the mesoporous material. We can cite an extraction process by sulfuric acid described by Zhuang, Quian and Wan in Applied Surface Science, 2010, 256; 5343-5348 "An alternative method to remove PEO-PPO-PEO template in organic-inorganic mesoporous nanocomposites by sulfuric acid extraction". This process has the disadvantage of altering the surfactant that it can no longer be recycled. In addition, this technique requires the installation of an expensive and heavy acid recycling system.
Las obras de Tanev y Pinnavaia (Mater. 1996, 8 (8): 2068-2079) describen un proceso para extraer el tensioactivo mediante disolvente. La extracción se facilita cuando el tensioactivo es no iónico. Aunque este proceso tiene la ventaja de permitir el reciclaje del tensioactivo, su eliminación del material poroso permanece incompleta. Por lo tanto, este proceso generalmente se combina con la calcinación que permite liberar completamente la porosidad del material sintetizado.The works by Tanev and Pinnavaia (Mater. 1996, 8 (8): 2068-2079) describe a process for solvent extraction of surfactant. Extraction is facilitated when the surfactant is nonionic. Although this process has the advantage of allowing recycling of the surfactant, its removal from the porous material remains incomplete. Therefore, this process is generally combined with calcination that allows to completely release the porosity of the synthesized material.
Finalmente, Huang, Xu y Li (Separation and Purification Technology, 118; 120-126 "Effect of the polar modifiers on supercritical extraction efficiency for template removal from hexagonal mesoporous silica materials: solubility parameter and polarity considérations") muestran que un fluido supercrítico puede permitir extraer el tensioactivo del material mesoporoso. Si este proceso elimina efectivamente el tensioactivo y lo mantiene intacto, su implementación a nivel industrial es complicada.Finally, Huang, Xu and Li (Separation and Purification Technology, 118; 120-126 "Effect of the polar modifiers on supercritical extraction efficiency for template removal from hexagonal mesoporous silica materials: solubility parameter and polarity considerations") show that a supercritical fluid can allow the surfactant to be extracted from the mesoporous material. If this process effectively removes the surfactant and keeps it intact, its implementation on an industrial level is complicated.
Por lo tanto, las sílices mesoporosas de la técnica anterior deben someterse a un proceso que permita la eliminación del tensioactivo. Este proceso es bastante complicado, consumidor de energía y oneroso. Por lo tanto, existe la necesidad de un proceso para la síntesis de sílice mesoporosa y una sílice mesoporosa en la que se pueda evitar y/o facilitar y/o sea poco onerosa la eliminación del tensioactivo.Therefore, the mesoporous silicas of the prior art must be subjected to a process that allows the removal of the surfactant. This process is quite complicated, energy consuming and expensive. Therefore, a need exists for a process for the synthesis of mesoporous silica and a mesoporous silica in which removal of the surfactant can be avoided and / or facilitated and / or inexpensive.
La presente invención tiene como objetivo proporcionar una solución a al menos uno de los problemas mencionados anteriormente. La invención proporciona un proceso para la síntesis de sílice mesoporosa y una sílice mesoporosa obtenida mediante el proceso. El proceso y la sílice son tal y como se describen en las reivindicaciones.The present invention aims to provide a solution to at least one of the problems mentioned above. The invention provides a process for the synthesis of mesoporous silica and a mesoporous silica obtained by the process. The process and the silica are as described in the claims.
Exposición de la invenciónPresentation of the invention
En un primer aspecto, la presente invención proporciona una sílice mesoporosa preparada mezclando los componentes A y B de modo que A es un tensioactivo de la familia de las saponinas y B es un precursor de sílice. In a first aspect, the present invention provides a mesoporous silica prepared by mixing components A and B such that A is a surfactant of the saponin family and B is a precursor of silica.
El precursor de sílice está representado por la fórmula Si(ORi)(OR2) (OR3XOR4) donde Ri, R2 , R3 y R4 se eligen independientemente entre los grupos hidroxilo, alquilos, glicoles, trimetil-1,2,3,4-tetrahidronaftaleno, 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan-2-ilo, dimetilsililo, trimetilsililo, etoxisililo, tributoxisililo, dietoxi(metoxi)sililo, trimetoxisililo, etoxi(dimetoxi)sililo, butoxi(dipropoxi)sililo, tripropoxisililo, dietoxi(trimetilsililoxi)sililo, etoxi-bis(trimetilsililoxi)sililo, metil-bis(trimetilsililoxi)sililo, butoxi-bis(trimetilsililoxi)sililo, dietoxi(trietoxisililoxi)sililo, dimetil(vinil)sililo, trimetilsililoxi, (3-metilpentoxi)sililo, 4,7,7-trimetil-3-biciclo [2.2.1]heptanilo, 2,2,4-trimetil-3-biciclo [2.2.1]heptanilo, propan-2-iloxi-bis (trimetilsililoxi)sililo, dibutoxi (trimetilsililoxi)sililo, trimetil trimetoxisililo, dibutoxi (etenil)sililo, dietil bis(trimetilsililo), (butan-2-iloxi)sililo, diacetiloxi-[(2-metilpropan-2-il) oxi]sililo, acetiloxi(dietoxi)sililo, 4-(dimetilamino)fenilo, 4-(dimetilamino)fenilo, 2-(dietilamino)etilo, piridin-3-ilo, 2-metilpropan-2-il)oxi, 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-dodecafluoroheptilo, tricloro-2-etilbutoxi, ciclononilo, 1-metoxipropan-2-ilo, 2-(2-metoxietoxi)etilo, 2-butoxietilo, 2-etoxietilo, 2-metoxietilo, acetilo, acetiloxi(dipropoxi)sililo, 5-metil-2-propan-2-ilciclohexilo, butan-2-iloxi, metilfenilo, ciclohexilo, 2-aminoetilo, fenilo, prop-2-enilo, 2-fluoroetilo, acetato o trihidroxisililoxi. La configuración R1=R2=R3=R4 está cubierta por la invención, o por la fórmula xSiO2:MyO donde M es uno o más átomos de metal, uno o más átomos de metal de transición, uno o más átomos no metálicos, un metilamonio, un actínido, y = 1 o 2 o 3 o 4 y x es la relación molar SiO2/MyO.The silica precursor is represented by the formula Si (ORi) (OR 2 ) (OR 3 XOR 4 ) where Ri, R 2 , R 3 and R 4 are independently chosen from hydroxyl groups, alkyls, glycols, trimethyl-1, 2,3,4-tetrahydronaphthalene, 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan-2-yl, dimethylsilyl, trimethylsilyl, ethoxysilyl, tributoxysilyl, diethoxy (methoxy) silyl, trimethoxysilyl, ethoxy (dimethoxy) silyl, butoxy ( dipropoxy) silyl, tripropoxysilyl, diethoxy (trimethylsilyloxy) silyl, ethoxy-bis (trimethylsilyloxy) silyl, methyl-bis (trimethylsilyloxy) silyl, butoxy-bis (trimethylsilyloxy) silyl, diethoxy (triethoxysilyloxy, vinyl) silyl, dimethylsilyloxy (trimethylsilyloxy) (3-methylpentoxy) silyl, 4,7,7-trimethyl-3-bicyclo [2.2.1] heptanyl, 2,2,4-trimethyl-3-bicyclo [2.2.1] heptanyl, propan-2-yloxy-bis (trimethylsilyloxy) silyl, dibutoxy (trimethylsilyloxy) silyl, trimethyl trimethoxysilyl, dibutoxy (ethenyl) silyl, diethyl bis (trimethylsilyl), (butan-2-yloxy) silyl, diacethyloxy - [(2-methylpropan-2-yl) oxy] , acetyloxy (diethoxy) sil yl, 4- (dimethylamino) phenyl, 4- (dimethylamino) phenyl, 2- (diethylamino) ethyl, pyridin-3-yl, 2-methylpropan-2-yl) oxy, 2,2,3,3,4,4 , 5,5,6,6,7,7-dodecafluoroheptyl, trichloro-2-ethylbutoxy, cyclononyl, 1-methoxypropan-2-yl, 2- (2-methoxyethoxy) ethyl, 2-butoxyethyl, 2-ethoxyethyl, 2- methoxyethyl, acetyl, acetyloxy (dipropoxy) silyl, 5-methyl-2-propan-2-ylcyclohexyl, butan-2-yloxy, methylphenyl, cyclohexyl, 2-aminoethyl, phenyl, prop-2-enyl, 2-fluoroethyl, acetate or trihydroxysilyloxy. The configuration R1 = R2 = R3 = R4 is covered by the invention, or by the formula xSiO 2 : MyO where M is one or more metal atoms, one or more transition metal atoms, one or more non-metallic atoms, a methylammonium, an actinide, y = 1 or 2 or 3 or 4 and x is the SiO 2 / MyO molar ratio.
En un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para producir sílice mesoporosa en la que los componentes A y B se mezclan en un disolvente que comprende agua, de modo que A es un tensioactivo de la familia de las saponinas y B es un precursor de sílice representado por la fórmula Si(OR1 ) (O2)(O3)(O4) donde R1 , R2, R3 y R4 se eligen independientemente entre los grupos hidroxilo, alquilos, glicoles, trimetil-1,2,3,4-tetrahidronaftaleno, 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan-2-ilo, dimetilsililo, trimetilsililo, etoxisililo, tributoxisililo, dietoxi(metoxi)sililo, trimetoxisililo, etoxi(dimetoxi)sililo, butoxi(dipropoxi)sililo, tripropoxisililo, dietoxi(trimetilsililoxi)sililo, etoxibis(trimetilsililoxi)sililo, metil-bis(trimetilsililoxi)sililo, butoxi-bis(trimetilsililoxi)sililo, dietoxi(trietoxisililoxi)sililo, dimetil(vinil)sililo, trimetilsililoxi, (3-metilpentoxi)sililo, 4,7,7-trimetil-3-biciclo [2.2.1]heptanilo, 2,2,4-trimetil-3-biciclo [2.2.1]heptanilo, propan-2-iloxi-bis (trimetilsililoxi)sililo, dibutoxi (trimetilsililoxi)sililo, trimetil trimetoxisililo, dibutoxi (etenil)sililo, dietil bis(trimetilsililo), (butan-2-iloxi)sililo, diacetiloxi-[(2-metilpropan-2-il) oxi]sililo, acetiloxi(dietoxi)sililo, 4-(dimetilamino)fenilo, 4-(dimetilamino)fenilo, 2-(dietilamino)etilo, piridin-3-ilo, 2-metilpropan-2-il)oxi, 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-dodecafluoroheptilo, tricloro-2-etilbutoxi, ciclononilo, 1-metoxipropan-2-ilo, 2-(2-metoxietoxi)etilo, 2-butoxietilo, 2-etoxietilo, 2-metoxietilo, acetilo, acetiloxi(dipropoxi)sililo, 5-metil-2-propan-2-ilciclohexilo, butan-2-iloxi, metilfenilo, ciclohexilo, 2-aminoetilo, fenilo, prop-2-enilo, 2-fluoroetilo, acetato, trihidroxisililoxi. La configuración R1=R2=R3=R4 está cubierta por la invención,In a second aspect, the present invention provides a method for producing mesoporous silica in which components A and B are mixed in a solvent comprising water, such that A is a surfactant of the saponin family and B is a precursor. silica represented by the formula Si (OR 1 ) (O2) (O3) (O4) where R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are independently chosen from the groups hydroxyl, alkyls, glycols, trimethyl-1,2, 3,4-tetrahydronaphthalene, 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan-2-yl, dimethylsilyl, trimethylsilyl, ethoxysilyl, tributoxysilyl, diethoxy (methoxy) silyl, trimethoxysilyl, ethoxy (dimethoxy) silyl, butoxy (dipropoxy) silyl, tripropoxysilyl, diethoxy (trimethylsilyloxy) silyl, ethoxybis (trimethylsilyloxy) silyl, methyl-bis (trimethylsilyloxy) silyl, butoxy-bis (trimethylsilyloxy) silyl, diethoxy (triethoxysilyloxy) silyl, dimethyl (trimethylsilyloxy) silyl, dimethyl (trimethylsilyloxy) silyl ) silyl, 4,7,7-trimethyl-3-bicyclo [2.2.1] heptanyl, 2,2,4-trimethyl-3-bicyclo [2.2.1] heptanyl, propan-2- yloxy-bis (trimethylsilyloxy) silyl, dibutoxy (trimethylsilyloxy) silyl, trimethyl trimethoxysilyl, dibutoxy (ethenyl) silyl, diethyl bis (trimethylsilyl), (butan-2-yloxy) silyl, diacetyloxy - [(2-methylpropan-2-yl) oxy] silyl, acetyloxy (diethoxy) silyl, 4- (dimethylamino) phenyl, 4- (dimethylamino) phenyl, 2- (diethylamino) ethyl, pyridin-3-yl, 2-methylpropan-2-yl) oxy, 2,2 , 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-dodecafluoroheptyl, trichloro-2-ethylbutoxy, cyclononyl, 1-methoxypropan-2-yl, 2- (2-methoxyethoxy) ethyl, 2- butoxyethyl, 2-ethoxyethyl, 2-methoxyethyl, acetyl, acetyloxy (dipropoxy) silyl, 5-methyl-2-propan-2-ylcyclohexyl, butan-2-yloxy, methylphenyl, cyclohexyl, 2-aminoethyl, phenyl, prop-2- enyl, 2-fluoroethyl, acetate, trihydroxysilyloxy. The configuration R1 = R2 = R3 = R4 is covered by the invention,
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por la fórmula xSiO2:MyO donde M es uno o más átomos de metal, uno o más átomos de metal de transición, uno o más átomos no metálicos, un metilamonio, un actínido, y = 1 o 2 o 3 o 4 y x es la relación molar SiO2/MyO.by the formula xSiO 2 : MyO where M is one or more metal atoms, one or more transition metal atoms, one or more non-metallic atoms, a methylammonium, an actinide, y = 1 or 2 or 3 or 4 and x is the SiO 2 / MyO molar ratio.
La sílice mesoporosa de la invención puede usarse en los campos de la alimentación humana o animal, de la nutrición humana o animal, de la industria farmacéutica, de la industria cosmética.The mesoporous silica of the invention can be used in the fields of human or animal nutrition, of human or animal nutrition, of the pharmaceutical industry, of the cosmetic industry.
El método y la sílice de la invención tienen varias ventajas con respecto a las sílices de la técnica anterior y sus métodos de producción. El método de la invención hace posible producir una sílice que comprende un tensioactivo natural y de calidad alimentaria, en particular, un tensioactivo perteneciente a la familia de las saponinas. La sílice que comprende el tensioactivo natural puede usarse para diversas aplicaciones. La eliminación total del tensioactivo no es necesariamente necesaria y su presencia a nivel de sílice no tiene ningún efecto negativo en las diversas aplicaciones previstas para la sílice.The method and silica of the invention have several advantages over prior art silicas and their production methods. The method of the invention makes it possible to produce a silica comprising a natural and food-grade surfactant, in particular, a surfactant belonging to the saponin family. Silica comprising the natural surfactant can be used for various applications. The total removal of the surfactant is not necessarily necessary and its presence at the silica level has no negative effect in the various applications envisaged for silica.
El hecho de que la sílice se pueda usar sin la eliminación total del tensioactivo permite (i) mantener las propiedades de la sílice y evitar cualquier alteración de la sílice que pueda ser causada por los tratamientos, en particular, por calcinación, dirigidos a la eliminación del tensioactivo; (ii) reducir considerablemente el tiempo y/o coste de preparación de la sílice; y (iii) preservar el medio ambiente evitando el uso de productos químicos o métodos que consumen energía para la eliminación del tensioactivo.The fact that the silica can be used without the total removal of the surfactant allows (i) to maintain the properties of the silica and avoid any alteration of the silica that may be caused by the treatments, in particular by calcination, aimed at the removal of the surfactant; (ii) considerably reduce the time and / or cost of preparing the silica; and (iii) preserve the environment by avoiding the use of chemicals or energy-consuming methods to remove the surfactant.
El mantenimiento de las propiedades de la sílice (punto (i) anterior) permite garantizar la eficiencia y la optimización de las aplicaciones que utilizan la sílice de la invención.Maintaining the properties of silica (point (i) above) makes it possible to guarantee the efficiency and optimization of the applications that use the silica of the invention.
En caso de que el tensioactivo tenga que ser eliminado, el método y la sílice de la invención siguen siendo ventajosos en comparación con las sílices y los métodos de la técnica anterior. En efecto, el proceso y la sílice de la invención permiten la eliminación del tensioactivo mediante un simple lavado con agua o con una solución hidroalcohólica. El hecho de utilizar un tensioactivo de calidad alimentaria permite la presencia residual de tensioactivo. Cuando se usan tensioactivos más tóxicos, se hace necesario eliminar todo rastro de tensioactivos, especialmente para las aplicaciones alimentarias, médicas o incluso cosméticas, y luego a menudo es necesario llevar a cabo una etapa de calcinación a alta temperatura, que no es el caso de la presente invención.In the event that surfactant has to be removed, the inventive method and silica remain advantageous compared to prior art silicas and methods. Indeed, the process and the silica of the invention allow the removal of the surfactant by a simple washing with water or with a hydroalcoholic solution. Using a food grade surfactant allows for residual surfactant presence. When using more toxic surfactants, it becomes necessary to remove all traces of surfactants, especially for food, medical or even cosmetic applications, and then it is often necessary to carry out a high temperature calcination step, which is not the case in the present invention.
Breve descripción de las figurasBrief description of the figures
La figura 1 muestra una fotografía tomada por un microscopio electrónico Philips XL 30 ESEM que representa partículas de sílices. Figure 1 shows a photograph taken by a Philips XL 30 ESEM electron microscope depicting silica particles.
La figura 2 es un gráfico que muestra la isoterma de adsorción de nitrógeno líquido a 77 K para partículas obtenidas en el ejemplo 1. Figure 2 is a graph showing the liquid nitrogen adsorption isotherm at 77 K for particles obtained in Example 1.
La figura 3 muestra una fotografía que representa partículas de sílices obtenidas en el ejemplo 2. La fotografía fue realizada por un microscopio electrónico Philips XL 30 ESEM. Figure 3 shows a photograph representing silica particles obtained in Example 2. The photograph was taken by a Philips XL 30 ESEM electron microscope.
La figura 4 es un gráfico que muestra la isoterma de adsorción de nitrógeno líquido a 77 K para partículas obtenidas en el ejemplo 2. Figure 4 is a graph showing the liquid nitrogen adsorption isotherm at 77 K for particles obtained in Example 2.
La figura 5 muestra una fotografía que representa partículas de sílices obtenidas en el ejemplo 3 tomada con un microscopio electrónico Philips XL 30 ESEM. Figure 5 shows a photograph representing silica particles obtained in Example 3 taken with a Philips XL 30 ESEM electron microscope.
La figura 6 muestra una fotografía que representa partículas de sílice obtenidas en el ejemplo 3 y, en particular, la porosidad de las partículas obtenidas realizada por el microscopio electrónico Philips XL 30 ESEM. Figure 6 shows a photograph representing silica particles obtained in Example 3 and, in particular, the porosity of the particles obtained made by the Philips XL 30 ESEM electron microscope.
La figura 7 es un gráfico que muestra la isoterma de adsorción de nitrógeno líquido a 77 K para partículas obtenidas en el ejemplo 3. Figure 7 is a graph showing the liquid nitrogen adsorption isotherm at 77 K for particles obtained in Example 3.
La figura 8 es una fotografía que representa partículas de sílice obtenidas en el ejemplo 5 tomadas por un microscopio electrónico Philips XL 30 ESEM. Figure 8 is a photograph representing silica particles obtained in Example 5 taken by a Philips XL 30 ESEM electron microscope.
La figura 9 es un gráfico que muestra la isoterma de adsorción de nitrógeno líquido a 77 K para partículas obtenidas en el ejemplo 4. Figure 9 is a graph showing the liquid nitrogen adsorption isotherm at 77 K for particles obtained in Example 4.
Descripción de la invenciónDescription of the invention
La presente invención se refiere a un método para la producción de sílice mesoporosa. El método se caracteriza por el uso de al menos un compuesto natural y de calidad alimentaria, en particular, de la familia de las saponinas como agente de estructuración. El método puede ser una síntesis en sol-gel o en secado por pulverización. La invención también se refiere a la sílice mesoporosa obtenida por dicho proceso.The present invention relates to a method for the production of mesoporous silica. The method is characterized by the use of at least one natural and food-grade compound, in particular, from the saponin family as a structuring agent. The method can be a sol-gel or spray-drying synthesis. The invention also relates to mesoporous silica obtained by said process.
A menos que se indique lo contrario, todos los términos utilizados en la divulgación de la invención, incluidos términos técnicos y científicos, tienen el significado que generalmente entiende el experto en la materia. Se incluyen definiciones de términos para apreciar mejor la enseñanza de la presente invención.Unless otherwise indicated, all terms used in the disclosure of the invention, including technical and scientific terms, have the meanings generally understood by those skilled in the art. Definitions of terms are included to better appreciate the teaching of the present invention.
Como se usan en el presente documento, los siguientes términos tienen los siguientes significados:As used herein, the following terms have the following meanings:
"Un", "una" y "el", tal como se utilizan en el presente documento, se refieren a referentes tanto en singular como en plural a menos que el contexto indique claramente otra cosa. A título de ejemplo, "un compartimento" se refiere a uno o más de un compartimento."A", "an" and "the", as used herein, refer to referents in both the singular and plural unless the context clearly indicates otherwise. By way of example, "a compartment" refers to one or more than one compartment.
"Aproximadamente" como se usa en este documento, se refiere a un valor medible como un parámetro, una cantidad, una duración temporal, y así sucesivamente, significa incluir variaciones de /- 20 % o menos, preferiblemente /- 10 % o menos, más preferiblemente /- 5 % o menos, incluso más preferiblemente /- 1 % o menos y siempre más preferiblemente /- 0,1 % o menos y en comparación con el valor especificado, siempre que tales variaciones sean adecuadas para funcionar en la invención descrita. Sin embargo, se entenderá que el valor al que se refiere el modificador "aproximadamente" también se revela específicamente."Approximately" as used herein, refers to a measurable value such as a parameter, an amount, a time duration, and so on, means to include variations of / - 20% or less, preferably / - 10% or less, more preferably / - 5% or less, even more preferably / - 1% or less and always more preferably / - 0.1% or less and compared to the specified value, provided that such variations are suitable to function in the described invention . However, it will be understood that the value referred to by the modifier "about" is also specifically disclosed.
"Comprender", "comprendiendo" y "comprende" y "compuesto de" como se usan en el presente documento son sinónimos de "incluyen", "incluyendo", "incluye" o "contienen", "conteniendo", "contiene" y son términos inclusivos o abiertos que especifican la presencia de lo que sigue, por ejemplo, un componente y no excluyen ni descartan la presencia de componentes, particularidades, elementos, órganos, etapas, suplementarios, no citados, conocidos en la técnica o revelados en la misma."Comprising", "comprising" and "comprises" and "composed of" as used herein are synonyms for "include", "including", "includes" or "contain", "containing", "contains" and are inclusive or open terms that specify the presence of the following, for example, a component and do not exclude or rule out the presence of components, particularities, elements, organs, stages, supplementary, not cited, known in the art or disclosed in the itself.
La citación de los rangos numéricos por límites incluye todos los números y fracciones incluidos en este rango, así como los límites citados.The citation of the numerical ranges by limits includes all the numbers and fractions included in this range, as well as the cited limits.
La sílice mesoporosa de la invención también se designa por los términos sílice green o sílice verde.The mesoporous silica of the invention is also designated by the terms green silica or green silica.
Los términos "agente de estructuración" y "tensioactivo" se usan como sinónimos.The terms "structuring agent" and "surfactant" are used synonymously.
En un primer aspecto, la presente invención proporciona una sílice mesoporosa preparada a partir de los componentes A y B de modo que A es un tensioactivo de la familia de las saponinas y B es un precursor de sílice. La sílice se obtiene mezclando los componentes A y B. El precursor puede ser soluble o insoluble en agua.In a first aspect, the present invention provides a mesoporous silica prepared from components A and B such that A is a surfactant of the saponin family and B is a precursor of silica. Silica is obtained by mixing components A and B. The precursor can be soluble or insoluble in water.
En un modo de realización preferido, el precursor de sílice está representado por la fórmula Si(OR1) (OR2)(OR3)(OR4) donde Ri, R2 , R3 y R4 se eligen independientemente entre los grupos hidroxilo, alquilos, glicoles, trimetil-1,2,3,4-tetrahidronaftaleno, 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan-2-ilo, dimetilsililo, trimetilsililo, etoxisililo, tributoxisililo, dietoxi(metoxi)sililo, trimetoxisililo, etoxi(dimetoxi)sililo, butoxi(dipropoxi)sililo, tripropoxisililo, dietoxi(trimetilsililoxi)sililo, etoxi-bis(trimetilsililoxi)sililo, metil-bis(trimetilsililoxi)sililo, butoxi-bis(trimetilsililoxi)sililo, dietoxi(trietoxisililoxi)sililo, dimetil(vinil)sililo, trimetilsililoxi, (3-metilpentoxi)sililo, 4,7,7-trimetil-3-biciclo [2.2.1]heptanilo, 2,2,4-trimetil-3-biciclo [2.2.1]heptanilo, propan-2-iloxi-bis (trimetilsililoxi)sililo, dibutoxi (trimetilsililoxi)sililo, trimetil trimetoxisililo, dibutoxi (etenil)sililo, dietil bis(trimetilsililo), (butan-2-iloxi)sililo, diacetiloxi-[(2-metilpropan-2-il) oxi]sililo, acetiloxi(dietoxi)sililo, 4-(dimetilamino)fenilo, 4-(dimetilamino)fenilo, 2-(dietilamino)etilo, piridin-3-ilo, 2-metilpropan-2-il)oxi, 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-dodecafluoroheptilo, tricloro-2-etilbutoxi, ciclononilo, 1-metoxipropan-2-ilo, 2-(2-metoxietoxi)etilo, 2-butoxietilo, 2-etoxietilo, 2-metoxietilo, acetilo, acetiloxi(dipropoxi)sililo, 5-metil-2-propan-2-ilciclohexilo, butan-2-iloxi, metilfenilo, ciclohexilo, 2-aminoetilo, fenilo, prop-2-enilo, 2-fluoroetilo, acetato o trihidroxisililoxi. La configuración R1=R2=R3=R4 está cubierta por la invención.In a preferred embodiment, the silica precursor is represented by the formula Si (OR 1 ) (OR2) (OR3) (OR4) where Ri, R 2 , R 3 and R 4 are independently chosen from the groups hydroxyl, alkyls, glycols, trimethyl-1,2,3,4-tetrahydronaphthalene, 1,1,1, 3,3,3-hexafluoropropan-2-yl, dimethylsilyl, trimethylsilyl, ethoxysilyl, tributoxysilyl, diethoxy (methoxy) silyl, trimethoxysilyl, ethoxy (dimethoxy) silyl, butoxy (dipropoxy) silyl, tripropoxysilyl, diethoxy (trimethylsilyl, diethoxy) silyl bis (trimethylsilyloxy) silyl, methyl-bis (trimethylsilyloxy) silyl, butoxy-bis (trimethylsilyloxy) silyl, diethoxy (triethoxysilyloxy) silyl, dimethyl (vinyl) silyl, trimethylsilyloxy, (3-methylpentoxy) silyl, 4,7,7-trimethyl -3-bicyclo [2.2.1] heptanyl, 2,2,4-trimethyl-3-bicyclo [2.2.1] heptanyl, propan-2-yloxy-bis (trimethylsilyloxy) silyl, dibutoxy (trimethylsilyloxy) silyl, trimethyl trimethoxysilyl, dibutoxy (ethenyl) silyl, diethyl bis (trimethylsilyl), (butan-2-yloxy) silyl, diacetyloxy - [(2-methylpropan-2-yl) oxy] silyl, acetyloxy (diethoxy) silyl, 4- (dimethylamino) phenyl, 4- (dimethylamino) phenyl, 2- (diethylamino) e tyl, pyridin-3-yl, 2-methylpropan-2-yl) oxy, 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-dodecafluoroheptyl, trichloro-2-ethylbutoxy, Cyclononyl, 1-methoxypropan-2-yl, 2- (2-methoxyethoxy) ethyl, 2-butoxyethyl, 2-ethoxyethyl, 2-methoxyethyl, acetyl, acetyloxy (dipropoxy) silyl, 5-methyl-2-propan-2-ylcyclohexyl , butan-2-yloxy, methylphenyl, cyclohexyl, 2-aminoethyl, phenyl, prop-2-enyl, 2-fluoroethyl, acetate or trihydroxysilyloxy. The configuration R1 = R2 = R3 = R4 is covered by the invention.
Los grupos alquilo se eligen preferiblemente entre los grupos metilo y etilo. Es preferible que todos los enlaces O-R sean hidrolizables. El precursor de sílice preferido de fórmula Si(OR)4 es el ortosilicato de tetraetilo y/o el ortosilicato de tetrametilo.The alkyl groups are preferably chosen from methyl and ethyl groups. It is preferable that all O-R bonds are hydrolyzable. The preferred silica precursor of formula Si (OR) 4 is tetraethyl orthosilicate and / or tetramethyl orthosilicate.
Según un modo de realización de la invención, el precursor de sílice está representado por la fórmula xSiO2 :MyO donde M es uno o más átomos de metal, uno o más átomos de metal de transición, uno o más átomos no metálicos, un metilamonio, un actínido, y = 1 o 2 o 3 o 4 y x es la relación molar SiO2/MyO. El átomo de metal puede ser alcalino en (y=2) o alcalinotérreo (y=1). El precursor de sílice de fórmula xSiO2 :MyO puede elegirse del grupo que comprende ortosilicato, metasilicato de sodio, potasio o calcio.According to an embodiment of the invention, the silica precursor is represented by the formula xSiO 2 : MyO where M is one or more metal atoms, one or more transition metal atoms, one or more non-metallic atoms, a methylammonium , an actinide, y = 1 or 2 or 3 or 4 and x is the SiO 2 / MyO molar ratio. The metal atom can be alkaline at (y = 2) or alkaline earth (y = 1). The silica precursor of the formula xSiO 2 : MyO can be selected from the group comprising orthosilicate, sodium, potassium or calcium metasilicate.
En un modo de realización preferido, el agente de estructuración pertenece a la familia de las saponinas. Las saponinas son moléculas anfifílicas producidas naturalmente por ciertas plantas o animales y que presentan propiedades tensioactivas. Las fuentes más importantes de saponinas utilizadas en la industria alimentaria y cosmética son el árbol Quillaja saponaria Molina, Yucca schidigera y el arbusto del sudeste asiático Camellia sinensis, conocido como la "tea plant (planta de té)".In a preferred embodiment, the structuring agent belongs to the saponin family. Saponins are amphiphilic molecules naturally produced by certain plants or animals and which have surfactant properties. The most important sources of saponins used in the food and cosmetic industry are the Quillaja saponaria Molina tree, Yucca schidigera and the Southeast Asian shrub Camellia sinensis, known as the "tea plant ".
Los inventores han descubierto que el mecanismo cooperativo de autoensamblaje puede llevarse a cabo en presencia de tensioactivos naturales del tipo saponina. Parece que, como en el caso de los tensioactivos industriales "clásicos", las saponinas se agregan para formar, con el precursor de sílice, una fase híbrida en la que se producirá la síntesis de material mesoporoso.The inventors have discovered that the cooperative self-assembly mechanism can be carried out in the presence of natural surfactants of the saponin type. It appears that, as in the case of "classical" industrial surfactants, the saponins aggregate to form, with the silica precursor, a hybrid phase in which the synthesis of mesoporous material will occur.
Las saponinas utilizadas en el contexto de esta invención son glucósidos triterpenoides cuya estructura principal (I) aglicona (sapogenina) puede tomar las siguientes formas: dammarenedioles (dammaranos), cucurbitadienol (cucurbitanos), hopanol (hopanos), lanosteroles (lanostanos), tirucalladienol (tirucallanos), p-amirina (oleanos), ~-amirina (ursanos), taraxasteroles (taraxasteranos), lupeol (lupanos).The saponins used in the context of this invention are triterpenoid glycosides whose main structure (I) aglycone (sapogenin) can take the following forms: dammarenediols (dammarans), cucurbitadienol (cucurbitans), hopanol (hopanes), lanosterols (lanostans), thyrucalladienol ( tirucallanos), p-amyrin (oleans), ~ -amyrin (ursanos), taraxasterols (taraxasterans), lupeol (lupanes).
Radicales metilo, funciones carboxílicas, aldehído o alcohol; átomos de hidrógeno, grupos hidroxilo; así como cadenas glucosídicas simples o ramificadas también están unidas al esqueleto de aglicona. Dentro de las cadenas glucosídicas, se prefieren los siguientes azúcares: D-glucosa, L-ramnosa, D-galactosa, ácido D-glucurónico, L-arabinosa, D-xilosa, D-fructosa, D-adiposa, D-fucosa. En el caso de que la aglicona comprenda una cadena glucosídica, se hablará de monodesmósido y, en el caso de que dos cadenas glucosídicas estén unidas al esqueleto de aglicona, se hablará de bidesmósido.Methyl radicals, carboxylic, aldehyde or alcohol functions; hydrogen atoms, hydroxyl groups; as well as simple or branched glycosidic chains are also attached to the aglycone backbone. Within the glycosidic chains, the following sugars are preferred: D-glucose, L-rhamnose, D-galactose, D-glucuronic acid, L-arabinose, D-xylose, D-fructose, D-adipose, D-fucose. In the case that the aglycone comprises a glycosidic chain, it will speak of monodesmoside and, in the case that two glycosidic chains are attached to the aglycone skeleton, it will speak of bidesmoside.
En un modo de realización preferido, la saponina utilizada tiene la siguiente estructura de oleanano de modo que R1 y R4 son grupos metilo, R2 es un átomo de hidrógeno y R3 es un grupo carboxílico.In a preferred embodiment, the saponin used has the following oleanane structure such that R1 and R4 are methyl groups, R2 is a hydrogen atom and R3 is a carboxylic group.
Estructura (I) Structure (I)
Según otro modo de realización ventajoso, el agente de estructuración contiene una o más de las siguientes saponinas: saponina 1, saponina 2, saponina 3, saponina 4, saponina 5, saponina 6, saponina 7, saponina 8, saponina 9, saponina 10, saponina 19, saponina 20a, saponina 20b, saponina 21a, saponina 21b, saponina 22a, saponina 22b, saponina 23, saponina S7, saponina S8, saponina S9, saponina S10, saponina S11, saponina S12, saponinas Quillaja 7, 17, 1821 (también conocidas como qA-7, QA-17, qA-18, QA-21).According to another advantageous embodiment, the structuring agent contains one or more of the following saponins: saponin 1, saponin 2, saponin 3, saponin 4, saponin 5, saponin 6, saponin 7, saponin 8, saponin 9, saponin 10, Saponin 19, Saponin 20a, Saponin 20b, Saponin 21a, Saponin 21b, Saponin 22a, Saponin 22b, Saponin 23, Saponin S7, Saponin S8, Saponin S9, Saponin S10, Saponin S11, Saponin S12, Quillaja Saponins 7, 17, 1821 ( also known as q A-7, QA-17, q A-18, QA-21).
Según un modo de realización de la invención, las saponinas utilizadas presentan una estructura principal de aglicona esteroidal del tipo de espirostanol o furostanol o una estructura de glucoalcaloide esteroidal del tipo de espirosolano o solanidano.According to one embodiment of the invention, the saponins used have a steroidal aglycone backbone of the spirostanol or furostanol type or a steroidal glycoalkaloid structure of the spirosolane or solanidane type.
En un modo de realización preferido, la sílice mesoporosa de la invención comprende un máximo del 30 % en peso de agente estructurante con respecto al peso del sólido, preferiblemente entre 1 y 20 % y más ventajosamente entreIn a preferred embodiment, the mesoporous silica of the invention comprises a maximum of 30% by weight of structuring agent with respect to the weight of the solid, preferably between 1 and 20% and more advantageously between
1 y 5 % en peso de agente estructurante con respecto al sólido. Dicho peso del sólido se refiere a la suma del peso de la sílice y del agente estructurante.1 and 5% by weight of structuring agent with respect to the solid. Said weight of the solid refers to the sum of the weight of the silica and the structuring agent.
En un modo de realización preferido, la sílice comprende mesoporos cuyo diámetro promedio mínimo es de 1 nm. El diámetro de los poros se calculó a partir de las isotermas de sorción de nitrógeno a temperatura de nitrógeno líquidoIn a preferred embodiment, the silica comprises mesopores whose minimum average diameter is 1 nm. The diameter of the pores was calculated from the nitrogen sorption isotherms at liquid nitrogen temperature
(77 K) según el método de Barrett, Joyner y Halenda (BJH). El diámetro de los mesoporos de sílice, establecido a partir de la isoterma de la sorción de nitrógeno a 77 K, es 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19,(77 K) according to the method of Barrett, Joyner and Halenda (BJH). The diameter of the silica mesopores, established from the nitrogen sorption isotherm at 77 K, is 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19,
20, 21, 22, 23, 24 o 25 nm o cualquier valor entre los valores anteriores.20, 21, 22, 23, 24 or 25 nm or any value between the above values.
En un modo de realización preferido, la superficie específica de la sílice, calculada a partir de las isotermas de sorción de nitrógeno a temperatura de nitrógeno líquido (77 K) por la teoría de Brunauer, Emmett y Teller (BET), es al menos 20 m2/g, 40 m2/g, 50 m2/g, o 60 m2/g. La superficie específica es como máximo de 80 1000 m2/ g o 1500 m2/g o cualquier valor entre los valores anteriores.In a preferred embodiment, the specific surface area of silica, calculated from nitrogen sorption isotherms at liquid nitrogen temperature (77 K) by the Brunauer, Emmett and Teller theory (BET), is at least 20 m2 / g, 40 m2 / g, 50 m2 / g, or 60 m2 / g. The specific surface is a maximum of 80 1000 m2 / g or 1500 m2 / g or any value between the above values.
En un modo de realización preferido, el volumen de poro de la sílice se calculó a partir de las isotermas de sorción de nitrógeno a temperatura de nitrógeno líquido (77 K) por el método de Barrett, Joyner y Halenda (BJH). Dicho volumen de poros es de al menos 0,1 cm3/g, 0,2 cm3/g, 0,4 cm3/g, 0,5 cm3/g y como máximo 0,6 cm3/g, 0,8 cm3/g, 1 cm3/g, 1,2 cm3/g, 1,5 cm3/g o cualquier valor comprendido entre los valores anteriores.In a preferred embodiment, the pore volume of the silica was calculated from the nitrogen sorption isotherms at liquid nitrogen temperature (77 K) by the method of Barrett, Joyner and Halenda (BJH). Said pore volume is at least 0.1 cm3 / g, 0.2 cm3 / g, 0.4 cm3 / g, 0.5 cm3 / g and at most 0.6 cm3 / g, 0.8 cm3 / g , 1 cm3 / g, 1.2 cm3 / g, 1.5 cm3 / g or any value between the above values.
En un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para producir sílice mesoporosa en la que los componentes A y B se mezclan en un disolvente que comprende agua, de modo que A es un tensioactivo natural de la familia de las saponinas y B es un precursor de sílice. Los componentes A y B son como se describieron anteriormente. El método de producción se lleva a cabo a partir de una solución micelar de tensioactivo en un disolvente que comprende agua al que se añade la fuente de sílice. Dicha fuente de sílice se añade preferiblemente gota a gota. Preferentemente, el disolvente es agua o una solución hidroalcohólica. El tensioactivo es como se describe anteriormente.In a second aspect, the present invention provides a method for producing mesoporous silica in which components A and B are mixed in a solvent comprising water, such that A is a natural surfactant of the saponin family and B is a silica precursor. Components A and B are as described above. The production method is carried out from a micellar solution of surfactant in a solvent comprising water to which the silica source is added. Said source of silica is preferably added dropwise. Preferably, the solvent is water or a hydroalcoholic solution. The surfactant is as described above.
En un modo de realización preferido, el precursor de sílice está representado por la fórmula Si(OR)4 donde R es un grupo alquilo, o por la fórmula xSiO2 :MyO donde M es un átomo de metal, y = 1 o 2 y x es la relación molar SiO2/MyO. El precursor de sílice es como se describió anteriormente.In a preferred embodiment, the silica precursor is represented by the formula Si (OR) 4 where R is an alkyl group, or by the formula xSiO 2 : MyO where M is a metal atom, y = 1 or 2 and x is the SiO 2 / MyO molar ratio. The silica precursor is as described above.
En un modo de realización preferido, el tensioactivo se añade al disolvente en una cantidad suficiente para obtener una concentración micelar comprendida entre 0,1 y 1000 veces la concentración micelar crítica. Preferentemente, el tensioactivo se añade al disolvente en una cantidad suficiente para obtener una concentración micelar de entre 10 yIn a preferred embodiment, the surfactant is added to the solvent in an amount sufficient to obtain a micellar concentration between 0.1 and 1000 times the critical micellar concentration. Preferably, the surfactant is added to the solvent in an amount sufficient to obtain a micellar concentration of between 10 and
900 veces, 20 y 800 veces, 30 y 700 veces, 40 y 600 veces, 50 y 500 veces, 60 y 400 veces, 70 y 300 veces, 80 y900 times, 20 and 800 times, 30 and 700 times, 40 and 600 times, 50 and 500 times, 60 and 400 times, 70 and 300 times, 80 and
200 veces, 90 y 100 veces la concentración micelar crítica o todos los valores entre los valores anteriores.200 times, 90 and 100 times the critical micellar concentration or all values between the above values.
En un modo de realización preferido, el precursor de sílice se añade al disolvente en una cantidad suficiente para que la proporción entre la cantidad de precursor de sílice y la cantidad de agente de estructuración esté comprendido entre 0,1 y 50. El precursor de sílice se añade preferiblemente gota a gota al disolvente.In a preferred embodiment, the silica precursor is added to the solvent in an amount sufficient so that the ratio between the amount of silica precursor and the amount of structuring agent is between 0.1 and 50. The silica precursor it is preferably added dropwise to the solvent.
En un modo de realización preferido, la temperatura de la solución obtenida tras la adición del precursor de sílice al disolvente se mantiene entre 15 y 35 °C, preferiblemente entre 20 y 25 °C. El pH de la solución de tensioactivo está a un máximo de 7. La solución puede tener un pH ácido que se obtiene al añadir soluciones y/o moléculas adecuadas como el HCl. El pH del disolvente puede ser 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 o cualquier valor entre los valores anteriores. El pH del disolvente es preferiblemente 1.In a preferred embodiment, the temperature of the solution obtained after adding the silica precursor to the solvent is kept between 15 and 35 ° C, preferably between 20 and 25 ° C. The pH of the surfactant solution is at a maximum of 7. The solution can have an acidic pH which is obtained by adding suitable solutions and / or molecules such as HCl. The pH of the solvent can be 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or any value between the above values. The pH of the solvent is preferably 1.
En un modo de realización preferido, la mezcla se deja reposar durante al menos 5 horas y como máximo 24 horas a una temperatura mínima de 20 °C, el reposo es seguido por una etapa de filtración que permite obtener un producto sólido a. La mezcla también se puede agitar durante al menos 10 minutos a una temperatura mínima de 20 °C, la agitación es seguida por la evaporación de la mezcla, obteniendo así un producto sólido b. El producto a y/o el producto b se somete a continuación a al menos un lavado con una solución de etanol, de agua o una solución hidroalcohólica a presión atmosférica. El producto lavado se somete a continuación a al menos una etapa de secado a presión reducida de 0,1 a 20 mm Hg. In a preferred embodiment, the mixture is left to settle for at least 5 hours and at most 24 hours at a minimum temperature of 20 ° C, the rest is followed by a filtration step that allows obtaining a solid product a. The mixture can also be stirred for at least 10 minutes at a minimum temperature of 20 ° C, stirring is followed by evaporation of the mixture, thus obtaining a solid product b. The product a and / or the product b is then subjected to at least one wash with an ethanol solution, water or a hydroalcoholic solution at atmospheric pressure. The washed product is then subjected to at least one drying step under reduced pressure of 0.1 to 20 mm Hg.
En un modo de realización preferido, el método de producción de la sílice mesoporosa comprende las siguientes etapas:In a preferred embodiment, the production method of mesoporous silica comprises the following steps:
- la introducción de saponinas en agua acidificada en una cantidad necesaria y suficiente para obtener una concentración micelar comprendida entre 0,1 y 1000, preferiblemente entre 1 y 1000 veces la CMC;- the introduction of saponins in acidified water in an amount necessary and sufficient to obtain a micellar concentration comprised between 0.1 and 1000, preferably between 1 and 1000 times the CMC;
- la disolución de las saponinas manteniendo la solución a una temperatura entre 15 y 35 °C;- dissolving the saponins by keeping the solution at a temperature between 15 and 35 ° C;
- la adición gota a gota de un precursor de sílice de modo que la relación entre la cantidad de precursor de sílice y la cantidad de agente de estructuración esté comprendida entre 0,5 y 50, preferentemente entre 1 y 50;- the dropwise addition of a silica precursor so that the ratio between the amount of silica precursor and the amount of structuring agent is between 0.5 and 50, preferably between 1 and 50;
- el envejecimiento de la mezcla sin agitar durante un período de tiempo que varía de 10 a 100 horas y preferiblemente de 10 a 20 horas a una temperatura entre 20 y 70 °C;- aging of the mixture without stirring for a period of time ranging from 10 to 100 hours and preferably from 10 to 20 hours at a temperature between 20 and 70 ° C;
- la filtración del producto envejecido en Büchner;- filtration of the aged product in Büchner;
- la realización de lavados sucesivos a presión atmosférica y a temperatura controlada con una solución de etanol al 40 %vol; y- Carrying out successive washes at atmospheric pressure and at a controlled temperature with a 40% vol ethanol solution; and
- el secado del producto a presión reducida.- drying the product under reduced pressure.
En un modo de realización preferido, el método de producción de la sílice mesoporosa comprende las siguientes etapas:In a preferred embodiment, the production method of mesoporous silica comprises the following steps:
- La introducción de saponinas en agua acidificada o no en un volumen necesario y suficiente para obtener una concentración micelar de entre 0,1 y 1000, preferiblemente entre 1 y 1000 veces la CMC;- The introduction of saponins in acidified water or not in a volume necessary and sufficient to obtain a micellar concentration of between 0.1 and 1000, preferably between 1 and 1000 times the CMC;
- La disolución de las saponinas manteniendo la solución a una temperatura entre 15 y 35 °C;- The dissolution of the saponins keeping the solution at a temperature between 15 and 35 ° C;
- La adición gota a gota de un precursor de sílice de modo que la relación entre la cantidad de precursor de sílice y la cantidad de agente de estructuración esté comprendida entre 0,5 y 50, preferentemente entre 1 y 50;- The dropwise addition of a silica precursor so that the ratio between the amount of silica precursor and the amount of structuring agent is between 0.5 and 50, preferably between 1 and 50;
- El envejecimiento de la mezcla con o sin agitación, durante 30 minutos a 72 horas a una temperatura entre 20 y 30 °C;- The aging of the mixture with or without stirring, for 30 minutes to 72 hours at a temperature between 20 and 30 ° C;
- La implementación de la evaporación por medio de aerosol. La mezcla de precursor-tensioactivo se aspira en el secador por pulverización y se empuja a través de una boquilla de dos fluidos o ultrasónica que tiene un orificio de 0,15 a 1,2 mm para generar gotas de aproximadamente 20 pm. La temperatura en la entrada de la columna está entre 120 y 250 °C y preferiblemente entre 140 y 180 °C. Un flujo de aire con una potencia inferior a 1 m3/min y una temperatura adecuada en la parte superior de la columna permiten, 1) la evaporación del disolvente acuoso, 2) el autoensamblaje de las micelas de tensioactivo y 3) la condensación del precursor de sílice.- The implementation of evaporation by means of aerosol. The precursor-surfactant mixture is drawn into the spray dryer and pushed through a two-fluid or ultrasonic nozzle having a 0.15 to 1.2 mm orifice to generate drops of about 20 pm. The temperature at the inlet of the column is between 120 and 250 ° C and preferably between 140 and 180 ° C. An air flow with a power of less than 1 m3 / min and a suitable temperature in the upper part of the column allows, 1) the evaporation of the aqueous solvent, 2) the self-assembly of the surfactant micelles and 3) the condensation of the precursor silica.
- El polvo obtenido, de color blanquecino, se lava como se describió previamente.- The off-white powder obtained is washed as previously described.
El método de la invención permite obtener altas tasas de rendimiento del orden del 60 al 90 % con respecto a la masa esperada en sólido. Dicha masa se refiere a la suma de la masa de la sílice y del agente estructurante.The method of the invention makes it possible to obtain high yield rates of the order of 60 to 90% with respect to the expected mass in solid. Said mass refers to the sum of the mass of the silica and the structuring agent.
El proceso de síntesis de sílice mesoporosa según la invención se caracteriza por mezclar y hacer reaccionar un precursor de sílice y un agente de estructuración natural. La invención también se caracteriza por el hecho de que, teniendo en cuenta las propiedades químicas y biológicas del agente de estructuración, su eliminación se vuelve opcional. Ventajosamente, el agente de estructuración no se elimina, lo que permite acelerar el proceso industrial y reducir el coste de la industrialización.The mesoporous silica synthesis process according to the invention is characterized by mixing and reacting a silica precursor and a natural structuring agent. The invention is also characterized by the fact that, taking into account the chemical and biological properties of the structuring agent, its removal becomes optional. Advantageously, the structuring agent is not removed, which makes it possible to accelerate the industrial process and reduce the cost of industrialization.
En el caso de que se prevea o requiera la eliminación del agente de estructuración y, por lo tanto, de la saponina, este se puede eliminar lavando con agua subcrítica o mediante lavados sucesivos con agua o con una mezcla de agua/etanol al 40 %vol sin necesariamente tener que usar una etapa de calcinación. La saponina extraída podría usarse para la producción de otras sílices mesoporosas y/o para otras aplicaciones conocidas por el experto en la materia.In the event that the elimination of the structuring agent and, therefore, of the saponin is foreseen or required, this can be eliminated by washing with subcritical water or by successive washing with water or with a 40% water / ethanol mixture vol without necessarily having to use a calcination stage. The extracted saponin could be used for the production of other mesoporous silicas and / or for other applications known to those skilled in the art.
EjemplosExamples
Ejemplo 1:Example 1:
Se añade ácido clorhídrico 12 N a 115 ml de agua para que el pH esté entre 1 y 2. Una cantidad de saponina (ABCR) que permite obtener 10 veces la concentración micelar crítica se disuelve con agitación a 25 °C en este volumen de agua acidificada. A continuación, se añade una cantidad de tetraetoxisilano que permite obtener una relación precursor/agente de estructura de 50 con agitación gota a gota a una velocidad de 0,3 gramos por minuto. La mezcla obtenida tiene un pH entre 1 y 2. La mezcla se envejece sin agitación durante 16 horas a 65 °C. El gel obtenido se filtra en Büchner, se lavó varias veces con una solución de etanol al 40 %vol antes de secarse a presión reducida a 40 °C. El polvo obtenido es blanco. La sílice mesoporosa "green" recuperada presenta una superficie específica determinada por el método de BET de 850 m2g-1, volumen de poro de 0,7 cm3g_1 y mesoporos de 35 A. La forma de las partículas obtenidas incluye esferas y bloques de sílices (la figura 1 tomada por el microscopio electrónico PHILIPS XL 30 ESEM).12 N hydrochloric acid is added to 115 ml of water so that the pH is between 1 and 2. An amount of saponin (ABCR) that allows to obtain 10 times the critical micellar concentration is dissolved with stirring at 25 ° C in this volume of acidified water. Next, an amount of tetraethoxysilane is added which makes it possible to obtain a precursor / structure agent ratio of 50 with stirring dropwise at a rate of 0.3 grams per minute. The mixture obtained has a pH between 1 and 2. The mixture is aged without stirring for 16 hours at 65 ° C. The gel obtained is filtered on Büchner, washed several times with a 40% vol ethanol solution before being dried under reduced pressure at 40 ° C. The powder obtained is white. The recovered "green" mesoporous silica has a specific surface area determined by the BET method of 850 m2g-1, a pore volume of 0.7 cm3g_1 and mesopores of 35 A. The shape of the particles obtained includes spheres and blocks of silica ( Figure 1 taken by the PHILIPS XL 30 ESEM electron microscope).
Ejemplo comparativo 2:Comparative example 2:
Se calcinaron 1,5 g de la sílice mesoporosa obtenida según el ejemplo 1 a 500 °C durante 4 horas. El polvo obtenido es blanco. La sílice mesoporosa tiene una superficie específica de 750 m2g-1, un volumen de poro de 0,6 cm3g_1 y mesoporos de 32 A.1.5 g of the mesoporous silica obtained according to example 1 were calcined at 500 ° C for 4 hours. The powder obtained is white. Mesoporous silica has a specific surface area of 750 m2g-1, a pore volume of 0.6 cm3g_1 and mesopores of 32 A.
Ejemplo 3:Example 3:
Una cantidad de saponina (Q-Naturale 200- Desert King) que presenta un contenido de saponinas triterpénicas del 67 al 73 % (peso seco) se disuelve con agitación a 25 °C en un volumen de agua acidificada que permite obtener una concentración correspondiente a 10 veces la concentración micelar crítica. A continuación, se añade una cantidad de tetraetoxisilano que permite obtener una relación precursor / agente de estructura de 10 con agitación gota a gota a una velocidad de 0,3 gramos por minuto. La mezcla obtenida tiene un pH entre 1 y 2. La mezcla se envejece sin agitación durante 12 a 16 horas a temperatura ambiente. El sol así obtenido se introduce en un atomizador (secador por pulverización) (secador por pulverización ProCept R&D - Bélgica) y se pulveriza utilizando una boquilla de dos fluidos que tiene un orificio de 0,4 mm bajo una presión de aire comprimido de 6 bares. La cantidad de solución a atomizar es de 200 ml. Las condiciones de funcionamiento del secador por atomización son las siguientes:A quantity of saponin (Q-Naturale 200- Desert King) having a triterpenic saponin content of 67 to 73% (dry weight) is dissolved with stirring at 25 ° C in a volume of acidified water that allows to obtain a concentration corresponding to 10 times the critical micellar concentration. Then, an amount of tetraethoxysilane is added which makes it possible to obtain a precursor / structure agent ratio of 10 with dropwise stirring at a rate of 0.3 grams per minute. The mixture obtained has a pH between 1 and 2. The mixture is aged without stirring for 12 to 16 hours at room temperature. The sol thus obtained is introduced into an atomizer (spray dryer) (ProCept R&D spray dryer - Belgium) and sprayed using a two-fluid nozzle having a 0.4 mm orifice under a compressed air pressure of 6 bar. . The quantity of solution to be sprayed is 200 ml. The operating conditions of the spray dryer are as follows:
- La temperatura del aire entrante se fija en 180 °C- The incoming air temperature is fixed at 180 ° C
- La temperatura a la salida de la columna es de 60 °C- The temperature at the outlet of the column is 60 ° C
- La velocidad de atomización es de 7L.min-1- The atomization speed is 7L.min-1
Se recogen 2,24 gramos de polvo blanco de sílice mesoporosa con una densidad aparente muy baja.2.24 grams of white mesoporous silica powder with a very low bulk density are collected.
El polvo obtenido se observa por microscopía electrónica y el análisis muestra la presencia de partículas en forma de copa que son características de las síntesis de secado por pulverización (Waldron K et al. Formation of monodisperse mesoporous silica microparticles via spray drying. Journal of Colloid and Interface Science 418 (2014) 225-233). El material sintetizado presenta una superficie específica de 648 m2g-1, un volumen de poro de 0,38 cm3 g-1 y mesoporos de 3,2 nm. La Figura 5, grabada a partir de un microscopio electrónico ESEM PHILIPS XL 30, muestra la forma de las partículas obtenidas. Una imagen que muestra la porosidad se muestra en la figura 6 grabada a partir de un microscopio electrónico PHILIPS XL 30 ESEM.The powder obtained is observed by electron microscopy and the analysis shows the presence of cup-shaped particles that are characteristic of spray drying syntheses (Waldron K et al. Formation of monodisperse mesoporous silica microparticles via spray drying. Journal of Colloid and Interface Science 418 (2014) 225-233). The synthesized material has a specific surface area of 648 m2g-1, a pore volume of 0.38 cm3 g-1 and mesopores of 3.2 nm. Figure 5, recorded from an ESEM PHILIPS XL 30 electron microscope, shows the shape of the particles obtained. An image showing porosity is shown in Figure 6 recorded from a PHILIPS XL 30 ESEM electron microscope.
Ejemplo 4:Example 4:
Una cantidad de saponina (Q-Naturale 200- Desert King) que presenta un contenido de saponinas triterpénicas del 67 al 73 % (peso seco) se disuelve con agitación a 25 °C en un volumen de agua acidificada que permite obtener una concentración correspondiente a 10 veces la concentración micelar crítica. A continuación, se añade una cantidad de metasilicato de potasio que permite obtener una relación precursor/agente de estructura de 10 con agitación gota a gota a una velocidad de 0,3 gramos por minuto. La mezcla obtenida tiene un pH entre 1 y 2. La mezcla se envejece sin agitación durante 12 a 16 horas a temperatura ambiente. El sol así obtenido se introduce en un atomizador (secador por pulverización) (secador por pulverización ProCept R&D - Bélgica) y se pulveriza utilizando una boquilla de dos fluidos que tiene un orificio de 0,4 mm bajo una presión de aire comprimido de 6 bares. La cantidad de solución a atomizar es de 200 ml. Las condiciones de funcionamiento del secador por atomización son las siguientes:A quantity of saponin (Q-Naturale 200- Desert King) having a triterpenic saponin content of 67 to 73% (dry weight) is dissolved with stirring at 25 ° C in a volume of acidified water that allows to obtain a concentration corresponding to 10 times the critical micellar concentration. Then, an amount of potassium metasilicate is added which makes it possible to obtain a precursor / structure agent ratio of 10 with stirring dropwise at a rate of 0.3 grams per minute. The mixture obtained has a pH between 1 and 2. The mixture is aged without stirring for 12 to 16 hours at room temperature. The sol thus obtained is introduced into an atomizer (spray dryer) (ProCept R&D spray dryer - Belgium) and sprayed using a two-fluid nozzle having a 0.4 mm orifice under a compressed air pressure of 6 bar. . The quantity of solution to be sprayed is 200 ml. The operating conditions of the spray dryer are as follows:
- La temperatura del aire entrante se fija en 180 °C- The incoming air temperature is fixed at 180 ° C
- La temperatura a la salida de la columna es de 60 °C- The temperature at the outlet of the column is 60 ° C
- La velocidad de atomización es de 7L.m¡m1- The atomization speed is 7L.m¡m1
- Se recogen 3,19 gr de polvo blanco de sílice mesoporosa que tiene una densidad aparente muy baja.- 3.19 g of white mesoporous silica powder are collected, which has a very low apparent density.
El polvo blanco obtenido se lava con agua y luego se observa por microscopía electrónica en un microscopio Philips XL30 ESEM. El análisis muestra la presencia de partículas esféricas, así como partículas de forma menos bien definida.The white powder obtained is washed with water and then observed by electron microscopy in a Philips microscope. XL30 ESEM. The analysis shows the presence of spherical particles, as well as particles of less well defined shape.
El material sintetizado presenta una superficie específica de 50 m2g-1, Volumen de poro de 0,23 cm3g-1 y mesoporos de 19 nm. The synthesized material has a specific surface of 50 m2g-1, a pore volume of 0.23 cm3g-1 and mesopores of 19 nm.
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